太赫兹超高速无线网络MAC协议研究

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太赫兹超高速无线网络是一种采用太赫兹频段作为无线载波进行通信、数据传输速率能够达到Gbit/s级别的短距离超高速无线个域网,具有自组织、支持超高速率、低复杂度、高可靠性、通信距离短等特点,优先应用于室内短距离无线通信等领域。太赫兹超高速无线网络的正常运行离不开MAC协议的支持,然而目前关于太赫兹超高速无线网络MAC协议的研究尚不多见,这在一定程度上影响了太赫兹超高速无线网络的研究和应用。为了在太赫兹的载频条件下实现超高速的无线接入,本文以IEEE802.15.3c标准为基础,对支持“CSMA/CA+TDMA”方式的混合MAC协议深入研究,提出了两种支持太赫兹超高速无线网络的MAC协议,主要包括以下两方面的内容:(1)针对现有以“CSMA/CA+TDMA”混合方式接入信道的MAC协议(如IEEE802.15.3c)存在的吞吐量偏低、为节点分配CTA时隙的方案不完善等问题,本文提出一种高带宽利用率的太赫兹超高速无线网络MAC协议—HBU-MAC(High BandwidthUtilizationMAC)。HBU-MAC协议通过采用删除CTAP(ChannelTimeAllocation Period)时段中的MCTA(Management CTA)时隙、分配使用CTAP时段的剩余CTA(ChannelTime Allocation)时隙、用SAP(Slot Application Period)时段自适应地代替CAP(ContentionAccessPeriod)时段、采用拆分时隙请求量或回溯法为成功申请时隙的节点分配CTA时隙等新机制,保障节点在CAP时段有效地传输信道时间请求帧的前提下尽可能地增加CTAP时段中用于传输数据的CTA时隙,使得节点可以充分利用CTAP时段传输数据,提高网络吞吐量,同时理论分析也表明了HBU-MAC协议的有效性。仿真结果显示HBU-MAC协议的最大平均数据传输速率可达15.3Gbit/s,同时接入成功率、帧传输成功率等性能均得了到整体的改善。(2)针对现有以“CSMA/CA+TDMA”混合方式接入信道的MAC协议(如IEEE802.15.3c)存在额外的控制开销、时延较大、效率较低等问题,本文在HBU-MAC协议基础之上提出一种高效低时延的太赫兹超高速无线网络MAC协议—ELD-MAC(Efficientand LowDelay MAC)。ELD-MAC协议通过采用包含双Beacon时段的超帧结构、免申请预分配时隙机制、压缩Beacon帧和数据帧中的重复字段等新机制,同时对相关关键参数进行优化设置,有效地减小了控制开销,降低了时延,提高了CAP时段节点成功竞争信道的概率。理论分析和仿真结果均表明在保障最大数据传输速率可达10Gbit/s以上的前提下,ELD-MAC协议降低了控制开销、端到端时延以及接入时延,同时提高了帧传输成功率、接入成功率等性能。最后总结全文,并指出下一步研究的方向。
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